燃煤电厂脱硫废水预处理软化工艺的试验与优化

2023-01-12温佳琪何志军平金同何思源

净水技术 2023年1期

温佳琪，何志军，平金同，何思源

(1.河北建投工程建设有限公司，河北石家庄 050051；2.河北建投水务投资有限公司，河北石家庄 050051；3.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010)

燃煤电厂是工业生产中的用排水大户，不同用水单元会产生不同类别的排水，这些排水的水质和水量往往差别较大，有的可以直接进入水质需求较低的单元进行梯级利用，有的则需经过物理、化学、生物等手段处理后再利用或达标排放。近年来，我国在环保要求方面不断升级，而燃煤电厂的脱硫废水属于末端排水，具有含重金属离子、CODCr、悬浮物、氨氮,以及高盐、高硬等特点，需经过处理才能达标排放或者回用[1]。目前，脱硫废水处理趋势是“零排放”，通常为“预处理软化+浓缩减量+蒸发结晶/干燥”3个处理单元组合而成的工艺路线，具体方案可根据不同电厂的水质、水量确定，在水质较好或水量较小的情况可考虑简化或省去预处理单元或浓缩减量单元，通过优化工艺方案以节约投资和运行成本。预处理通常选取化学软化絮凝，浓缩减量可选取的工艺包括热法(蒸汽/烟气余热)浓缩和超滤/纳滤/反渗透/电渗析(UF/NF/RO/ED)膜浓缩，蒸发结晶/干燥段可选择蒸汽机械再压缩(MVR)、多级多效蒸馏(MED)以及旁路烟气蒸发器等[2-3]。经过该工艺处理的废水被分为固相和液相，干燥的结晶盐产物可以实现二次利用或封存，产水中盐的浓度大幅降低[4-5]，可实现回用，不再需要向厂外排放。但由于其工艺链条较长、占地较大、投资运行成本高等，存在电力行业应用尚少、国内外实际工程案例不足的问题[6]。

本项目研究的脱硫废水水质复杂，现有脱硫废水三联箱处理工艺无法满足环保要求，在实现“脱硫废水零排放”工程化投运前需对预处理工艺进行优化比选，以满足后端浓缩减量工艺段(采用ED膜组件+RO膜)的稳定运行。通过试验选择技术可行、经济合理的预处理工艺，确保其经济、可靠运行。

1 材料与方法

1.1 试验用水

表1 试验水样水质指标Tab.1 Test Water Quality Indices

1.2 试验装置与方法

试验设备配置情况如表2所示。

表2 预处理工艺筛选试验主要设备配置Tab.2 Main Equipment Configuration of Pretreatment Process Screening Test

脱硫废水预处理试验为批次试验，工艺流程如图1所示。

图1 脱硫废水软化流程图Fig.1 Flow Chart of Desulfurization Wastewater Softening

1.2.1 pH优化试验

取1 L经均质后的脱硫废水以一定转速进行搅拌，通过投入不同量的Ca(OH)2/NaOH并测定相应的pH，得到脱硫废水pH随Ca(OH)2/NaOH投加剂量的变化曲线。

1.2.2 Ca(OH)2、NaOH剂量优化试验

1.2.3 Na2CO3软化试验

分批次量取100 L脱硫废水，加入Ca(OH)2/NaOH最佳投加剂量，搅拌15 min后再分别加入不同剂量的Na2CO3，搅拌15 min后静置沉淀，用0.45 μm滤膜过滤上清液后测定滤液中Ca2+、Mg2+等物质的含量。根据测定结果选择投加Ca(OH)2/NaOH条件下的最佳Na2CO3剂量，通过技术、经济可行性分析选择最佳加药软化方案。

1.2.4 污泥量及沉降效果试验

通过对脱硫废水预处理过程中各个反应池悬浮物浓度进行测定，用以估算这两种软化加药组合方式最终所能产生的污泥量。

对脱硫废水不同软化加药组合处理反应后形成的污泥浆液进行沉淀，对比得出两种加药方式各自的沉降沉淀效果，以1 L量筒作为沉淀容器。

2 试验结果与讨论

2.1 脱硫废水批次试验

2.1.1 通过脱硫废水pH确定Ca(OH)2/NaOH加药量

脱硫废水中投加不同剂量的Ca(OH)2/NaOH，测定趋于稳定后的pH，结果如图2所示。

图2 脱硫废水pH随Ca(OH)2/ NaOH加药量变化趋势Fig.2 Variation Trend of pH Value of Desulfurization Wastewater with Dosage of Ca(OH)2/NaOH

根据Mg2+的理论沉淀的pH范围可知，投加Ca(OH)2时Mg2+沉淀的pH值为9.56～10.03，投加NaOH时Mg2+沉淀的pH值为9.55～10.00。采用Ca(OH)2和NaOH对脱硫废水进行pH调节时，达到相同的pH趋势相同，说明Mg2+沉淀的pH区间范围与理论值基本吻合。

2.1.2 脱硫废水Ca(OH)2/NaOH优化试验

(1) Ca(OH)2优化试验

图3 Ca(OH)2剂量优化试验处理效果Fig.3 Treatment Effect of Ca(OH)2 Dosage Optimization Experiment

(2)NaOH优化试验

与Ca(OH)2优化试验类似，其结果如图4所示。

图4 NaOH剂量优化试验处理效果Fig.4 Treatment Effect of NaOH Dosage Optimization Experiment

随着NaOH投加量的增加，pH升高、Mg2+含量降低，pH值可控制在10.50～12.00；pH值到达10.50时，SiO2质量浓度达到1.25 mg/L，之后随着投加量的增加，SiO2浓度出现小幅度升高。因此，最佳pH值控制点应为10.50附近。综上，NaOH最佳投加剂量应为12.54 g/L，此时pH值为10.50。

若脱硫废水零排放处理工艺中预处理后端所采用的浓缩工艺为ED，其浓缩倍率高，对进水Ca2+、Mg2+等易结垢离子要求尽量控制在较低水平，防止影响浓缩效率。由图4可知，NaOH的投加对Ca2+有一定去除作用，这是由于随着NaOH的投加量增大，反应形成少量的Ca(OH)2沉淀，且CaSO4溶解度也随着pH的升高有所降低，会有少量析出，Ca2+含量逐渐降低。

2.1.3 Na2CO3优化试验

(1)NaOH+Na2CO3试验结果

根据NaOH剂量优化试验结果，去除Ca2+至满足后续ED进水要求的20 mg/L，同时参照Na2CO3与Ca2+摩尔比为1∶1所得的理论Na2CO3投加量，确定试验的Na2CO3投加量，反应30 min后测定上清液中Ca2+和Mg2+浓度，得到表3中的数据。

表3 脱硫废水不同pH值条件下上清液Ca2+和Mg2+浓度Tab.3 Concentrations of Ca2+ and Mg2+ in Supernatant under Different pH Values of Desulfurization Wastewater

分别对上述3组加药组合方式的投加药剂成本进行计算，结果如表4所示。

表4 不同pH值及不同出水Ca2+要求下药剂投加成本估算(NaOH+Na2CO3)Tab.4 Chemical Dosage Cost Estimation under Different pH Values and Different Requirements of Ca2+ in Effluent (NaOH+Na2CO3)

(2)Ca(OH)2+Na2CO3试验结果

根据Ca(OH)2剂量优化试验结果，去除Ca2+至满足后续ED进水要求的20 mg/L，同时参照Na2CO3与Ca2+摩尔比为1∶1所得的理论Na2CO3投加量，确定试验的Na2CO3投加量，反应30 min后测定上清液中Ca2+和Mg2+浓度，得到表5的数据。

表5 脱硫废水不同pH值及不同Na2CO3加药浓度下上清液中Ca2+和Mg2+浓度Tab.5 Concentrations of Ca2+ and Mg2+ in Supernatant under Different pH Values of Desulfurization Wastewater and Na2CO3Dosing Concentration

分别对上述3组加药组合方式的投加药剂成本进行计算，结果如表6所示。

表6 不同pH值条件及不同出水Ca2+要求下药剂投加成本估算 [Ca(OH)2+Na2CO3]Tab.6 Cost Estimation of Chemical Dosage under Different pH Value Conditions and Different Effluent Ca2+ Requirements [Ca(OH)2+Na2CO3]

根据以上所述加药软化批次处理结果，在Ca2+质量浓度为20 mg/L左右的前提下，综合评估后得出结果：若采用NaOH+Na2CO3加药组合方式控制pH值在10.50左右，此时加药成本为53.95元/t；若采用Ca(OH)2+Na2CO3加药组合方式控制pH值在10.50左右，此时加药成本为70.59元/t。

2.1.4 两种加药方式的去除效果

以上述试验结果为基础，分别分析了采用Ca(OH)2+Na2CO3和NaOH+Na2CO3联合预处理方式在pH值为10.50左右条件下对脱硫废水中Ca2+、Mg2+和SiO2的去除情况，其对比结果如表7所示。

表7 脱硫废水加药软化处理出水水质对比Tab.7 Comparison of Effluent Quality of Desulfurization Wastewater Dosing and Softening Treatment

在主要污染指标去除水平方面，Ca(OH)2+Na2CO3效果略优于NaOH+Na2CO3。在控制pH值保持10.50左右的条件下投加Na2CO3，出水Ca2+质量浓度能控制在20 mg/L左右，Ca(OH)2+Na2CO3加药组合中Mg2+质量浓度能控制在7.35 mg/L，原因是其沉淀效果更佳，更多细微的Mg(OH)2被共沉淀。

2.2 脱硫废水污泥量及沉降效果试验

2.2.1 脱硫废水污泥量测定

通过测定脱硫废水在Ca(OH)2+Na2CO3和NaOH+Na2CO3软化处理过程中的悬浮物浓度可知，采用Ca(OH)2+Na2CO3组合进行处理，由于Ca(OH)2反应效率低、反应形成部分CaSO4等系列原因，一级反应池形成的悬浮固体质量浓度约为35 000 mg/L，二级反应池形成的悬浮固体质量浓度约为13 000 mg/L，混合后污泥质量浓度约为48 000 mg/L。为了防止一级Ca(OH)2反应过程中残留的Ca(OH)2进入二级Na2CO3反应池，两者之间需单独设置沉淀池以保证后端Na2CO3加药量的准确性。

采用NaOH+Na2CO3组合软化过程中，反应所产生的Mg(OH)2和CaCO3最终均会到达同一沉淀池，经过检测，反应形成的悬浮固体平均质量浓度在18 000 mg/L左右。

综上所述，采用NaOH+Na2CO3组合软化方式形成的污泥量约为Ca(OH)2+Na2CO3组合加药方式形成的污泥量的37.5%。

2.2.2 脱硫废水软化沉降对比试验

如图5所示，采用NaOH+Na2CO3加药方式形成的污泥经过16.5 h之后体积减小了46%，而采用Ca(OH)2+Na2CO3加药方式形成的污泥经过2 h体积减小了50%，最终经过7 h沉淀后污泥体积减小了63%，说明Ca(OH)2+Na2CO3加药方式在沉淀速率上具有一定优势。